Tài liệu Nghiên cứu xử lý sự cố về thấm bằng cọc xi măng đất cho cống ngăn mặn, giữ ngọt ở vùng đồng bằng sông cửu long. ứng dụng cho cống đá bạc tỉnh cà mau

BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO BỘ NÔNG NGHIỆP VÀ PTNT TRƯỜNG ĐẠI HỌC THỦY LỢI MAI QUANG TRƯỜNG NGHIÊN CỨU XỬ LÝ SỰ CỐ VỀ THẤM BẰNG CỌC XI MĂNG ĐẤT CHO CỐNG NGĂN MẶN, GIỮ NGỌT Ở VÙNG ĐỒNG BẰNG SÔNG CỬU LONG. ỨNG DỤNG CHO CỐNG ĐÁ BẠC – TỈNH CÀ MAU LUẬN VĂN THẠC SĨ SÓC TRĂNG, NĂM 2017 BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO BỘ NÔNG NGHIỆP VÀ PTNT TRƯỜNG ĐẠI HỌC THỦY LỢI MAI QUANG TRƯỜNG NGHIÊN CỨU XỬ LÝ SỰ CỐ VỀ THẤM BẰNG CỌC XI MĂNG ĐẤT CHO CỐNG NGĂN MẶN, GIỮ NGỌT Ở VÙNG ĐỒNG BẰNG SÔNG CỬU LONG. ỨNG DỤNG CHO CỐNG ĐÁ BẠC – TỈNH CÀ MAU LUẬN VĂN THẠC SĨ CHUYÊN NGÀNH: ĐỊA KỸ THUẬT XÂY DỰNG MÃ SỐ: 60580204 NGƯỜI HƯỚNG DẪN: TS. PHÙNG VĨNH AN SÓC TRĂNG, NĂM 2017 HỌ VÀ TÊN : MAI QUANG TRƯỜNG LUẬN VĂN THẠC SĨ SÓC TTRĂNG, NĂM 2017 LỜI CAM ĐOAN Tôi xin cam đoan nội dung trong luận văn này là do chính tôi thực hiện, các số liệu, hình ảnh, biểu đồ trong đề tài đều là chân thực, không trùng lập với bất kỳ nghiên cứu nào trước đây. Các biểu đồ, số liệu và tài liệu tham khảo đều được trích dẫn, chú thích nguồn thu thập chính xác rõ ràng. Tác giả luận văn MAI QUANG TRƯỜNG i LỜI CÁM ƠN Trước hết, tôi xin chân thành cám ơn quý thầy cô của trường Đại học Thủy Lợi, đặc biệt là những thầy cô thuộc bộ môn Địa kỹ thuật và những thầy cô đã trực tiếp giảng dạy cho tôi trong thời gian theo học vừa qua. Tôi xin chân thành cảm ơn TS. Phùng Vĩnh An là người hướng dẫn khoa học đã hết sức tận tâm nhiệt tình giúp tôi hoàn thành luận văn này. Tôi xin cảm ơn sự quan tâm góp ý của các Giáo sư, Phó Giáo sư, Tiến sĩ trong trường Đại học Thủy Lợi đã giúp đỡ và tạo mọi điều kiện thuận lợi cho tôi trong suốt quá trình học tập và thực hiện luận văn. ii MỤC LỤC MỞ ĐẦU .........................................................................................................................1 CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN CÁC GIẢI PHÁP XỬ LÝ SỰ CỐ THẤM BẰNG CỌC XI MĂNG ĐẤT Ở ĐỒNG BẰNG SÔNG CỬU LONG ................................................4 1.1 Đặc điểm công trình ngăn mặn, giữ ngọt khu vực Đồng bằng sông Cửu long .........4 1.1.1 Các yếu tố ảnh hưởng đến công trình ngăn mặn, giữ ngọt.....................................4 1.1.2 Hệ thống công trình ngăn mặn, giữ ngọt ................................................................7 1.2 Sự cố thấm, xói ngầm nền và mang cống ở Đồng bằng sông Cửu Long và giải pháp xử lý .................................................................................................................................9 1.2.1 Sân phủ chống thấm thượng lưu và hạ lưu. ..........................................................10 1.2.2 Chống thấm bằng cừ thép, cừ nhựa, cừ BTCT .....................................................12 1.2.3 Chống thấm bằng khoan phụt truyền thống .........................................................16 1.2.4 Hoành triệt cống cũ, làm lại cống mới .................................................................18 1.3. Kết luận Chương 1..................................................................................................18 CHƯƠNG 2. CƠ SỞ KHOA HỌC XỬ LÝ THẤM BẰNG CỌC XI MĂNG ĐẤT KẾT HỢP PHỤ GIA. ....................................................................................................21 2.1 Mục đích, yêu cầu và cơ sở khoa học xử lý sự cố thấm. .........................................21 2.1.1 Mục đích xử lý thấm.............................................................................................21 2.1.2 Yêu cầu về điều kiện thi công xử lý thấm ............................................................22 2.1.3 Cơ sở khoa học xử lý sự cố thấm .........................................................................24 2.2 Các thí nghiệm phục vụ xử lý thấm bằng cọc XMĐ kết hợp phụ gia. ...................31 2.2.1 Khảo sát địa chất ..................................................................................................31 2.2.2 Thí nghiệm trộn thử trong phòng .........................................................................33 2.2.3 Thí nghiệm xác định hệ số thấm...........................................................................34 2.3 Phương pháp tính toán xử lý thấm ..........................................................................37 2.3.1 Bố trí sơ đồ hợp lý để xử lý thấm .........................................................................37 2.3.2 Trình tự phương pháp tính toán xử lý thấm .........................................................39 2.3.3 Kiểm tra, đánh giá chất lượng và công tác nghiệm thu tường chống thấm..........41 2.4 Kết luận Chương 2...................................................................................................43 CHƯƠNG 3: ÁP DỤNG XỬ LÝ CỐNG ĐÁ BẠC HUYỆN TRẦN VĂN THỜI TỈNH iii CÀ MAU. ...................................................................................................................... 45 3.1 Giới thiệu về cống Đá Bạc tỉnh Cà Mau ................................................................. 45 3.1.1 Vị trí công trình nghiên cứu ................................................................................. 45 3.1.2 Đặc điểm tự nhiên khu vực nghiên cứu .............................................................. 46 3.1.3 Đặc điểm nước mặt, nước ngầm khu vực nghiên cứu.......................................... 47 3.1.4 Điều kiện dân sinh, kinh tế xã hội ........................................................................ 47 3.1.5 Hiện trạng công trình và sự cần thiết phải xử lý sự cố......................................... 48 3.1.6 Giới thiệu giải pháp xử lý thấm bằng cọc xi măng đất kết hợp phụ gia .............. 51 3.2 Các thí nghiệm phục vụ tính toán, thiết kế.............................................................. 53 3.2.1 Thí nghiệm trộn thử trong phòng xác định phụ gia phù hợp ............................... 53 3.2.2 Thí nghiệm xác định hệ số thấm XMĐ ................................................................ 56 3.2.3 Một số nhận xét rút ra từ thí nghiệm trong phòng .............................................. 57 3.3 Thiết kế phương án xử lý thấm bằng cọc XMĐ kết hợp phụ gia............................ 58 3.3.1 Xác định hàm lượng, mật độ xử lý ....................................................................... 58 3.3.2 Kết quả phân tích tính toán phương án chọn ....................................................... 62 3.3.3 Kết quả kiểm tra, đánh giá chất lượng chống thấm [9]. ....................................... 66 3.4 Kết luận Chương 3 .................................................................................................. 70 KẾT LUẬN VÀ KIẾN NGHỊ ....................................................................................... 71 TÀI LIỆU THAM KHẢO ............................................................................................. 73 iv DANH MỤC BẢNG BIỂU Bảng 2.1 Phân tích thành phần hóa học chính của xi măng ..........................................29 Bảng 3.1 Kết quả phân tích mẫu nước ngầm ................................................................54 Bảng 3.2 Kết quả thí nghiệm xác định hệ số thấm trên hiện trường .............................69 v DANH MỤC HÌNH ẢNH Hình 1.1 Bản đồ vùng đồng bằng sông Cửu Long .......................................................... 4 Hình 1.2 Bản đồ phân vùng đất yếu ở đồng bằng Nam Bộ............................................. 6 Hình 1.3 Bơm bùn tại chỗ tạo sân phủ chống thấm thượng lưu cống Đá Bạc .............. 10 Hình 1.4 Bơm bùn trong đồng tạo sân phủ chống thấm hạ lưu cống cái Cui ............... 12 Hình 1.5 Liên kết cừ thép và bản đáy cống để chống thấm .......................................... 13 Hình 1.6 Phối cảnh phương án xử lý bằng cừ thép cống Sơn Đốc 2 ............................ 14 Hình 1.7 Mặt bằng bố trí khoan phụt truyền thống để xử lý thấm, xói ngầm............... 16 Hình 1.8 Cắt ngang cống ............................................................................................... 17 Hình 2.1. Phương pháp xử lý sự cố thấm, xói ngầm nền và mang cống theo JG ......... 22 Hình 2.2 Ảnh hưởng của thành phần hạt đến cường độ XMĐ ..................................... 26 Hình 2.3 Ảnh hưởng của hàm lượng hữu cơ (axit humic) đến cường độ kháng cắt..... 28 Hình 2.4 Ảnh hưởng của pH đến cường độ kháng nén của XMĐ ................................ 28 Hình 2.5. Nguyên lý xử lý chống thấm cho cống hiện hữu .......................................... 31 Hình 2.6. Thiết bị nén 3 trục thường được sử dụng trong các công trình sử dụng XMĐ ....................................................................................................................................... 33 Hình 2.7. Thiết bị nén mẫu XMĐ và hình ảnh phá hoại mẫu ....................................... 34 Hình 2.8 Sơ đồ nguyên lý xác định hệ số thấm của XMĐ ............................................ 35 Hình 2.9 Tường chống thấm XMĐ tạo bởi 1 hàng cọc ................................................ 37 Hình 2.10 Tường chống thấm XMĐ tạo bởi 2 hàng cọc .............................................. 37 Hình 2.11 Tuyến chống thấm bố trí ở thượng lưu cống ................................................ 38 Hình 2.12 Tuyến chống thấm bố trí trong phạm vi thân cống ...................................... 39 Hình 3.1 Vị trí cống Đá Bạc – Cà Mau ......................................................................... 45 Hình 3.2 Cống Đá bạc - Cà Mau nhìn từ phía đồng...................................................... 48 Hình 3.3 Vị trí xuất hiện đùn sủi phía sông, khi mực nước đồng cao .......................... 49 Hình 3.4 Một vị trí hố sủi cuối bản đáy phía đồng, khi mực nước biển cao ................. 50 Hình 3.5 Hư hỏng khớp nối trụ pin và lún sụt đất mố cống.......................................... 50 Hình 3.6 Dây chuyền thiết bị thi công JG ..................................................................... 53 Hình 3.7 Chế bị mẫu thí nghiệm trong phòng ............................................................... 55 vi Hình 3.8 Cắt dọc cống Đá Bạc phương án xử lý ...........................................................59 Hình 3.9 Mặt bằng cống Đá Bạc phương án xử lý ........................................................61 Hình 3.10 Mặt cắt dọc tính toán ....................................................................................63 Hình 3.11 Lưới điều kiện biên tính toán .......................................................................64 Hình 3.12 Đường đẳng áp trong nền cống ....................................................................64 Hình 3.13 Trường vận tốc thấm trong nền cống ...........................................................65 Hình 3.14 Trường đẳng Gradient trong nền cống .........................................................65 Hình 3.15 Đo đường kính cọc XMĐ ở bên mang cống ................................................66 Hình 3.16 Mẫu lõi khoan XMĐ ....................................................................................67 Hình 3.17 Sơ đồ đổ nước thí nghiệm xác định hệ số thấm ...........................................69 vii KÝ HIỆU VÀ VIẾT TẮT Qult : Sức chịu tải giới hạn của cọc xi măng đất. [M] : Moment giới hạn của cọc xi măng đất. Fs : Là hệ số an toàn. [S] : Độ lún giới hạn cho phép. ∑ Si : Độ lún tổng cộng của móng cọc. as : Diện tích tương đối của cọc xi măng đất. Ecol : Mô đun đàn hồi của cọc xi măng đất. Ccol : Lực dính của cọc xi măng đất. φcol : Góc nội ma sát của cọc xi măng đất. Acol : Diện tích của cọc xi măng đất. Esoil : Mô đun đàn hồi của vùng đất yếu cần được gia cố Csoil : Lực dính của vùng đất yếu cần được gia cố xung quanh cọc xi măng đất. φsoil :Góc nội ma sát của vùng đất yếu cần được gia cố xung quanh cọc xi măng đất. Asoil : Diện tích vùng đất yếu cần được gia cố xung quanh cọc xi măng đất. Etđ : Mô đun đàn hồi tương đương của nền đất yếu được gia cố. Ctđ : Lực dính tương đương của nền đất yếu được gia cố. φtđ : Góc nội ma sát tương đương của nền đất yếu được gia cố. E50 : Mô đun biến dạng. d : Đường kính cọc. Lcol : Chiều dài cọc. Cu.soil : Độ bền chống cắt không thoát nước. B, L, H : Chiều rộng, chiều dài và chiều cao của nhóm cọc xi măng đất. hi : Bề dày lớp đất tính lún thứ i. eoi : Hệ số rỗng của lớp đất. Cri : Chỉ số nén lún hồi phục ứng với quá trình dỡ tải. Cci : Chỉ số nén lún. viii σ’vo : Ứng suất do trọng lượng bản thân. Δσ’v :Gia tăng ứng suất thẳng đứng. σ’p : Ứng suất tiền cố kết. Qp : khả năng chịu tải mỗi cột trong nhóm cọc. ffs : Hệ số riêng phần đối với trọng lượng đất. fq : Hệ số riêng phần đối với tải trọng ngoài. H : Chiều cao nền đắp. q : Ngoại tải tác dụng. γ : Dung trọng đất đắp. R : Bán kính cung trượt tròn. τe : Sức chống cắt của vật liệu đất đắp. τav : Sức chống cắt của vật liệu cọc cu : Lực dính của cọc xi măng – đất và đất nền khi đã gia cố. Δl : Chiều dài cung trượt tương ứng. xi : Cánh tay đòn của mảnh thứ I so với tâm quay. wi : Trọng lượng của mảnh thứ i. φi : Góc ma sát trong của lớp đất. Ltb : Độ sâu hạ cọc trong đất kể từ đáy đài. Q : Khối lượng đất ở trạng thái tự nhiên. t : Tỉ lệ xi măng dự kiến. ix MỞ ĐẦU 1.Tính cấp thiết của đề tài - Đồng bằng sông Cửu long có vị trí quan trọng trong nền kinh tế đất nước, đây là vựa lúa và là nơi xuất khẩu thủy sản lớn nhất cả nước. Chính vì vậy, Nhà nước hết sức quan tâm đầu tư các hệ thống hạ thầng, đặc biệt là công trình Thủy lợi. Trong đó các công trình ngăn mặn, giữ ngọt để phục vụ cho sản xuất và nuôi trồng thủy sản như cống, kênh, đê, đập…đóng một vai trò rất quan trọng. Tuy nhiên, trong các năm vừa qua cống ngăn mặn, giữ ngọt chủ yếu chỉ được thiết kế với tổ hợp chênh lệch hạ lưu và thượng lưu một chiều (mực nước cao trong đồng, thấp phía biển). Hơn nữa, do cống nằm trên lớp đất yếu có hệ số thấm nhỏ nên phần lớn cống không có kết cấu chống thấm, mà chỉ sử dụng bản đáy cống để chống thấm. Do đó, khi chế độ mực nước không có sự thay đổi thì các cống vẫn làm việc bình thường. Gần đây, do biến đổi khí hậu, đặc biệt là hạn hán kéo dài trong mùa khô. Thêm vào đó, việc xây dựng các công trình trên thượng nguồn sông Mê Công đã dẫn đến cạn kiệt nguồn nước hạ lưu. Vì thế chế độ làm việc của hầu hết các cống đều thay đổi khác với thiết kế (mực nước biển cao, mực nước trong đồng thấp). Ngoài ra, như đã nêu trên cống không có kết cấu chống thấm. Vì vậy, khi mực nước chênh cao trong thời gian dài đã dẫn đến phát sinh sự cố về thấm, xói ngầm nền và mang cống. Nước biển xâm nhập qua đáy cống làm mặn toàn bộ hạ lưu ảnh hưởng đến dân sinh, kinh tế ở khu vực hạ lưu. Do đó, bài toán đặt ra làm làm thế nào giữ được cống, ngăn chặn được sự xâm nhập mặn và không để nước mặn làm ảnh hưởng đến cuộc sống của người dân ở hạ lưu. - Chính vì vậy, việc nghiên cứu ứng dụng cọc XMĐ kết hợp phụ gia để xử lý sự xâm nhập mặn cho cống ngăn mặn, giữ ngọt trong điều kiện địa chất là đất yếu, môi trường mặn và có chênh lệch mực nước cao giữa phía biển và trong đồng là hết sức cần thiết. 1 2. Mục đích của Đề tài: - Nghiên cứu được giải pháp xử lý sự cố về thấm bằng cọc xi măng đất cho cống ngăn mặn, giữ ngọt ở vùng Đồng bằng sông Cửu long. Ứng dụng xử lý sự cố về thấm cho cống Đá Bạc – tỉnh Cà Mau; - Làm tài liệu tham khảo việc xử lý sự cố do nguyên nhân thấm ở khu vực Đồng bằng sông Cửu Long. 3. Nội dung nghiên cứu: - Tổng quan được các giải pháp xử lý sự cố về thấm cho các cống trong điều kiện môi trường mặn, chênh lệch mực nước; - Nghiên cứu, đề xuất được giải pháp xử lý sự cố cống ngăn mặn, giữ ngọt bằng công nghệ Jet grouting (JG) kết hợp phụ gia tạo tường XMĐ trong điều kiện đất yếu, môi trường mặn và có chênh lệch mực nước thượng và hạ lưu; - Nghiên cứu áp dụng xử lý sự cố cống Đá bạc, huyện Trần Văn Thời, tỉnh Cà Mau. 4. Cách tiếp cận và phương pháp nghiên cứu: - Phương pháp nghiên cứu lý thuyết: Thu thập các tài liệu có liên quan về công nghệ JG. Tài liệu địa chất khu vực Cà Mau, tài liệu địa chất, địa chất thủy văn tại vị trí ứng dụng công nghệ. Các giải pháp xử lý thấm truyền thống. - Phương pháp nghiên cứu trên thực địa: (1) Lấy mẫu nước để phân tích; (2) Lấy mẫu đất thí nghiệm các chỉ tiêu cơ lý để lựa chọn chủng loại xi măng phù hợp; (3) Tiến hành thí nghiệm thấm và lấy lõi và tiến hành thí nghiệm nén ở tuổi 14 và 28 ngày. - Phương pháp thí nghiệm trong phòng: Lấy đất và nước trên hiện trường, trộn mẫu XMĐ + phụ gia trong phòng thí nghiệm. Tiến hành thí nghiệm xác định hệ số thấm, cường độ kháng nén qu ở tuổi ngày thiết kế. - Phương pháp mô hình toán: Mô phỏng bài toán xử lý thấm cho cống bằng phần mềm chuyên dụng, từ đó rút ra các kết luận cần thiết. 5. Phạm vi, đối tượng nghiên cứu: - Cọc xi măng đất thi công theo công nghệ Jet grouting (JG). 2 - Xử lý chống thấm cho cống ngăn mặn, giữ ngọt ở khu vực ĐB sông Cửu Long. 6. Kết quả đạt được: - Tổng quan về các giải pháp xử lý sự cố về thấm cho cống ngăn mặn, giữ ngọt ở ĐB sông Cửu long. - Đề xuất được giải pháp xử lý sự cố về thấm trong điều kiện địa chất là đất yếu, môi trường mặn và có chênh lệch mực nước thượng và hạ lưu. - Áp dụng được cho cống Đá Bạc – Cà Mau. 3 CHƯƠNG 1. TỔNG QUAN CÁC GIẢI PHÁP XỬ LÝ SỰ CỐ THẤM CHO CỐNG NGĂN MẶN, GIỮ NGỌT Ở ĐỒNG BẰNG SÔNG CỬU LONG 1.1 Đặc điểm công trình ngăn mặn, giữ ngọt khu vực Đồng bằng sông Cửu long 1.1.1 Các yếu tố ảnh hưởng đến công trình ngăn mặn, giữ ngọt - Yếu tố địa lý: Cũng như các dạng công trình khác, công trình ngăn mặn giữ ngọt ở vùng Đồng bằng Sông Cửu Long chịu tác động lớn của yếu tố địa hình, địa chất, thủy văn-thủy lực. Về mặt địa lý, công trình ngăn mặn, giữ ngọt ở khu vực ĐBS Cửu Long nằm trên địa bàn các tỉnh Long An, Tiền Giang, Bến Tre, Vĩnh Long, Trà Vinh, Cần Thơ, Sóc Trăng, Bạc Liêu, Cà Mau, Kiên Giang, An Giang, Đồng Tháp, Hậu Giang với tổng diện tích tự nhiên 39.734 km2 chiếm 12,2 % diện tích tự nhiên của cả nước. Hình 1.1 Bản đồ vùng đồng bằng sông Cửu Long - Đây là khu vực nằm ở phần cuối của bán đảo Đông Dương, liền kề với vùng kinh 4